DE60301146T2

DE60301146T2 - Verfahren und system zum repräsentieren eines schallfeldes

Info

Publication number: DE60301146T2
Application number: DE60301146T
Authority: DE
Inventors: Remy Bruno; Arnaud Laborie; Sebastian Montoya
Original assignee: Trinnov Audio
Current assignee: Trinnov Audio Villejuif Fr
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: CA2484588A1; AU2003255562B2; DK1502475T3; AU2003255562A1; JP4293986B2; EP1502475B1; CN1659926A; KR20050010784A; JP2005531016A; WO2003096742A1; EP1502475B8; CN1659926B; CA2484588C; ATE300852T1; DE60301146D1; US7212956B2; FR2839565B1; KR100972419B1; US20050177606A1; FR2839565A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung eines akustischen Feldes ausgehend von Signalen, die von Erfassungsvorrichtungen geliefert werden.
Bestehende Verfahren und Systeme zur Erfassung und Darstellung von Lautumgebungen benutzen Modellierungen, die auf physisch unrealisierbaren Erfassungsvorrichtungen basieren, insbesondere was die elektro-akustischen und/oder strukturellen Eigenschaften dieser Erfassungsvorrichtungen anbetrifft.
Die Erfassungsvorrichtungen bestehen beispielsweise aus einer Anordnung von Messelementen oder elementaren Sensoren, die an speziellen Stellen des Raumes angeordnet sind, und die wirkliche elektro-akustische Erfassungseigenschaften aufweisen.
Die bestehenden Systeme sind durch die strukturellen Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen, wie die physische Anordnung der elementaren Sensoren, sowie durch ihre elektro-akustischen Eigenschaften begrenzt und liefern in der Qualität geminderte Darstellungen der zu erfassenden Lautumgebung.
Beispielsweise berücksichtigen die unter dem Namen „Ambisonic" gebündelten Systeme nur die Herkunftsrichtungen der Töne bezüglich des Mittelpunkts der Erfassungsvorrichtungen, die von einer Vielzahl von elementaren Sensoren gebildet sind, was dazu führt, dass die Erfassungsvorrichtungen mit einem punktuellen Mikrophon gleichzusetzen sind.
Allerdings begrenzt die Unmöglichkeit, die Anordnung aus elementaren Sensoren an ein und derselben Stelle anzuordnen, die Leistungsfähigkeit dieser Systeme.
Außerdem stellen diese Systeme die Lautumgebung durch eine Modellierung virtueller Quellen dar, deren Winkelverteilung um den Mittelpunkt herum theoretisch den Erhalt einer solchen Tonumgebung erlaubt.
Jedoch beschränkt die Tatsache, dass den elementaren Sensoren stärkere richtwirkende Eigenschaften fehlen, diese Systeme auf ein Niveau der Darstellungsgenauigkeit, das allgemein mit der Ordnung eins bezeichnet wird, und zwar auf einer mathematischen Basis, der so genannten Basis der verallgemeinerten Kugelfunktionen.
Bei anderen Systemen, wie denjenigen, die das Erfassungsverfahren und die Erfassungsvorrichtung einsetzen, die in der Patentanmeldung WO-01-58209 beschrieben sind, basiert die Erfassung auf der Messung von für die zu erfassende Tonumgebung repräsentativen Informationen in einer Ebene.
Allerdings benutzen diese Systeme Modellierungen, die auf idealen elementaren Sensoren basieren, welche unbedingt auf einem Kreis angeordnet sind und zu einer erheblichen Verstärkung des Grundrauschens der Sensoren führen.
Diese Systeme erfordern daher Sensoren, deren Grundrauschen von vornherein extrem gering ist, und die somit in der Praxis unrealistisch sind.
Außerdem wird die Lautumgebung bei diesen Systemen einzig durch eine zweidimensionale Modellierung beschrieben, was einer erheblichen und reduzierenden Approximation der realen Lauteigenschaften entspricht.
Es ist daher zu sehen, dass die von den bestehenden Systemen vorgenommenen Darstellungen von Lautumgebungen unvollständig und von schlechter Qualität sind, und dass kein System erlaubt eine zuverlässige Darstellung zu erhalten.
Das Ziel der Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung geliefert werden, die eine Darstellung des akustischen Feldes liefern, die praktisch unabhängig von den Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen ist.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Darstellung eines akustischen Feldes zum Gegenstand mit einem Schritt der Erfassung von Messsignalen, die von Erfassungsvorrichtungen ausgesandt werden, welche von einem oder mehreren elementaren Sensoren gebildet sind, die dem akustischen Feld ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist:

– einen Schritt zur Bestimmung von Verschlüsselungsfiltern, die repräsentativ für zumindest strukturelle Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen sind; und
– einen Schritt zur Verarbeitung der Messsignale durch Anwendung der Verschlüsselungsfilter auf diese Signale zur Bestimmung einer begrenzten Anzahl von repräsentativen Koeffizienten des akustischen Feldes in der Zeit und in den drei Dimensionen des Raumes des akustischen Feldes, wobei die Koeffizienten ermöglichen, eine Darstellung des akustischen Feldes zu erhalten, die praktisch unabhängig von den Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen ist.

Gemäß weiteren Merkmalen:

– umfassen die strukturellen Eigenschaften zumindest Positionseigenschaften der elementaren Sensoren bezüglich eines vorbestimmten Bezugspunktes der Erfassungsvorrichtungen;
– sind die Verschlüsselungsfilter außerdem repräsentativ für elektroakustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen;
– weisen die elektro-akustischen Eigenschaften zumindest Eigenschaften auf, die mit dem eigentlichen elektro-akustischen Erfassungsvermögen der elementaren Sensoren verbunden sind;
– sind die Koeffizienten, die ermöglichen eine Darstellung des akustischen Feldes zu erhalten, so genannte Fourier-Bessel-Koeffizienten und/oder lineare Kombinationen von Fourier-Bessel-Koeffizienten;
– umfasst der Schritt zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter:
– einen Unterschritt zur Bestimmung einer Signalabtastmatrix, die repräsentativ für das Erfassungsvermögen der Erfassungsvorrichtungen ist;
– einen Unterschritt zur Bestimmung einer Interkorrelationsmatrix, die repräsentativ für die Ähnlichkeit zwischen den Messsignalen ist, welche von den die Erfassungsvorrichtungen bildenden elementaren Sensoren geliefert werden; und
– einen Unterschritt zur Bestimmung einer Verschlüsselungsmatrix auf der Basis der Signalabtastmatrix, der Interkorrelationsmatrix und eines Parameters, der repräsentativ für einen gewünschten Kompromiss zwischen der Darstellungsgenauigkeit des akustischen Feldes und der Minimierung des von den Erfassungsvorrichtungen erzeugten Grundrauschens ist, wobei die Matrix repräsentativ für die Verschlüsselungsfilter ist;
– werden die Unterschritte zur Bestimmung der Matrices für eine begrenzte Anzahl von Betriebsfrequenzen durchgeführt;
– wird der Schritt zur Bestimmung der Signalabtastmatrix für jeden der elementaren Sensoren, welche die Erfassungsvorrichtungen bilden, durchgeführt, und zwar ausgehend von:
i. Parametern, die repräsentativ für die Position des Sensors bezüglich des Mittelpunktes der Erfassungsvorrichtungen sind; und/oder
ii. einer begrenzten Anzahl von Koeffizienten, die repräsentativ für das Erfassungsvermögen des Sensors sind;
– wird der Schritt zur Bestimmung der Signalabtastmatrix außerdem auf der Basis zumindest eines Parameters durchgeführt, der stammt aus:
– Parametern, die repräsentativ für die Durchlassbereiche aller oder eines Teils der Sensoren sind;
– Parametern, die repräsentativ für die Richtwirkungsdiagramme aller oder eines Teils der Sensoren sind;
– Parametern, die repräsentativ für die Ausrichtungen aller oder eines Teil der Sensoren sind, nämlich für die Ausrichtung ihrer maximalen Empfindlichkeit;
– Parametern, die repräsentativ für die spektralen Leistungsdichten des Grundrauschens aller oder eines Teils der Sensoren sind;
– einem Parameter, der die Reihenfolge, in welcher die Darstellung ausgeführt wird, spezifiziert; und
– einem Parameter, der repräsentativ für eine Liste von Koeffizienten ist, von denen verlangt wird, dass die Leistung gleich der Leistung des entsprechenden Koeffizienten in dem darzustellenden akustischen Feld ist;
– umfasst das Verfahren einen Kalibrierschritt, der ermöglicht, alle oder einen Teil der in dem Schritt zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter verwendeten Parameter zu liefern;
– umfasst der Kalibrierschritt für zumindest einen der die Erfassungsvorrichtungen bildenden elementaren Sensoren:
– einen Unterschritt zur Erfassung von Signalen, die repräsentativ für das Erfassungsvermögen des zumindest einen Sensors sind; und
– einen Unterschritt zur Bestimmung von Parametern, die repräsentativ für elektro-akustische und/oder strukturelle Eigenschaften des zumindest einen Sensors sind;
– umfasst der Kalibrierschritt außerdem:
– einen Unterschritt zum Aussenden eines spezifischen akustischen Feldes zu dem zumindest einen Sensor, wobei der Unterschritt der Erfassung der Erfassung der von diesem Sensor gelieferten Signale entspricht, wenn dieser dem spezifischen akustischen Feld ausgesetzt ist; und
– einen Unterschritt zur Umformung des spezifischen akustischen Feldes in eine begrenzte Anzahl von Koeffizienten, um die Durchführung des Unterschrittes zur Bestimmung von Parametern zu ermöglichen, die repräsentativ für elektro-akustische und/oder strukturelle Eigenschaften des Sensors sind;
– umfasst der Kalibrierschritt einen Unterschritt des Empfangs einer begrenzten Anzahl von Signalen, die repräsentativ für die elektroakustischen und strukturellen Eigenschaften der die Erfassungsvorrichtungen bildenden Sensoren sind, wobei diese Signale direkt während des Unterschrittes zur Bestimmung der elektro-akustischen und/oder strukturellen Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen verwendet werden; und
– umfasst das Verfahren einen Erfassungsschritt, der ermöglicht, alle oder einen Teil der während des Schrittes zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter eingesetzten Parameter zu bestimmen.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Computerprogramm mit Programmcodeanweisungen zur Durchführung der Schritte des Verfahrens wie zuvor beschrieben, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen mobilen Träger der Art mit zumindest einem Verarbeitungsprozessor und einem nicht-flüchtigen Speicherelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher ein Programm umfasst, welches Codeanweisungen für die Durchführung der Schritte des Verfahrens wie zuvor beschrieben aufweist, wenn der Prozessor das Programm ausführt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Darstellung eines akustischen Feldes, welche an Erfassungsvorrichtungen angeschlossen werden kann, die von einem oder mehreren elementaren Sensoren gebildet sind, die Messsignale liefern, wenn sie dem akustischen Feld ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Modul aufweist zur Verarbeitung der Messsignale durch Anwendung von Verschlüsselungsfiltern, die repräsentativ für zumindest strukturelle Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen sind, auf diese Messsignale, um ein Signal zu liefern, das eine begrenzte Anzahl von Koeffizienten umfasst, die repräsentativ in der Zeit und in den drei Dimensionen des Raumes des akustischen Feldes sind, wobei die Koeffizienten ermöglichen, eine Darstellung des akustischen Feldes zu erhalten, die praktisch unabhängig von den Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen ist.
Gemäß weiteren Merkmalen der Vorrichtung der Erfindung:

– sind die Verschlüsselungsfilter außerdem repräsentativ für elektroakustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen;
– weist die Vorrichtung außerdem Vorrichtungen zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter auf, die repräsentativ für strukturelle und/oder elektro-akustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen sind;
– empfangen die Vorrichtungen zur Bestimmung von Verschlüsselungsfiltern am Eingang zumindest einen der Parameter, der aus den folgenden Parametern stammt:
– Parametern (x →_n), die repräsentativ für die Positionen aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) bezüglich des Mittelpunktes der Erfassungsvorrichtungen (1) sind;
– einer begrenzten Anzahl von Koeffizienten (B_n,l,m(f)), die repräsentativ für das Erfassungsvermögen aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind;
– Parametern, die repräsentativ für die Durchlassbereiche aller oder eines Teils der Sensoren sind;
– Parametern, die repräsentativ für die Richtwirkungsdiagramme aller oder eines Teils der Sensoren sind;
– Parametern, die repräsentativ für die Ausrichtungen aller oder eines Teil der Sensoren sind, nämlich für die Ausrichtung ihrer maximalen Empfindlichkeit;
– Parametern, die repräsentativ für die spektralen Leistungsdichten des Grundrauschens aller oder eines Teils der Sensoren sind;
– einem Parameter, der repräsentativ für den gewünschten Kompromiss zwischen der Darstellungsgenauigkeit des akustischen Feldes und der Minimierung des von den Erfassungsvorrichtungen erzeugten Grundrauschens ist;
– einem Parameter, der die Reihenfolge, in welcher die Darstellung ausgeführt wird, spezifiziert; und
– einem Parameter, der repräsentativ für eine Liste von Koeffizienten ist, von denen verlangt wird, dass die Leistung gleich der Leistung des entsprechenden Koeffizienten in dem darzustellenden akustischen Feld ist;
– ist die Vorrichtung mit Vorrichtungen zur Bestimmung aller oder eines Teils der von den Vorrichtungen zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter empfangenen Parameter verbunden, wobei die Vorrichtungen zumindest eines der folgenden Elemente aufweisen:
– Vorrichtungen zur Erfassung der Parameter; und/oder
– Kalibriervorrichtungen;
– ist die Vorrichtung mit Vorrichtungen zur Modellierung der Messsignale verbunden, um ein in die entsprechende Form gebrachtes Signal zu liefern.

Die Erfindung wird besser verstanden werden bei der Lektüre der nachfolgenden, allein beispielhaft gegebenen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
1 eine Darstellung einer Kugelmarkierung ist;
2 eine repräsentative schematische Darstellung der eingesetzten Erfassungsvorrichtungen ist;
3 ein allgemeines Organigramm des Verfahrens der Erfindung ist;
4 ein Organigramm der Einzelheit einer Ausführungsform des Kalibrierschrittes des Verfahrens der Erfindung ist;
5 ein Organigramm der Einzelheit einer Ausführungsform des Schrittes zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter des Verfahrens der Erfindung ist;
6 eine schematische Darstellung der Einzelheit einer Ausführungsform des Schrittes zur Anwendung der Verschlüsselungsfilter ist; und
7 ein synoptisches Schema einer Vorrichtung ist, die für den Einsatz des Verfahrens der Erfindung eingerichtet ist.
In 1 ist eine klassische Kugelmarkierungseinteilung derart dargestellt, dass das Koordinatensystem, auf welches im Text Bezug genommen wird, präzisiert wird.
Dieses Koordinatensystem ist ein orthonormales Koordinatensystem mit dem Ursprung O und mit drei Achsen (OX), (OY) und (OZ).
In diesem Koordinatensystem wird eine mit x → bezeichnete Position mit Hilfe ihrer Kugelkoordinaten (r, θ, ϕ) beschrieben, wobei r den Abstand bezüglich des Ursprungs O bezeichnet, θ die Ausrichtung in der vertikalen Ebene und ϕ die Ausrichtung in der horizontalen Ebene.
In einem solchen Koordinatensystem ist ein akustisches Feld bekannt, wenn man an jedem Punkt zu jedem Zeitpunkt t den mit p(r, θ, ϕ, t) bezeichneten akustischen Druck definiert, dessen Fourier-Transformierte mit P(r, θ, ϕ, f) bezeichnet ist, wobei f die Frequenz bezeichnet.
Das Verfahren der Erfindung basiert auf der Verwendung von räumlichen und zeitlichen Funktionen, die erlauben, irgendein akustisches Feld in der Zeit und in den drei Dimensionen des Raumes zu beschreiben.
In den beschriebenen Ausführungsformen sind diese Funktionen so genannte sphärische Fourier-Bessel-Funktionen der ersten Gattung, die nachfolgend Fourier-Bessel-Funktionen genannt werden.
In einem Bereich, der frei von Quellen und frei von Hindernissen ist, entsprechen die Fourier-Bessel-Funktionen den Lösungen der Gleichung der Wellen und bilden eine Basis, welche alle von den außerhalb dieses Bereiches angeordneten Quellen erzeugten akustischen Felder hervorbringt.
Jedes dreidimensionale akustische Feld kann daher durch eine lineare Kombination der Fourier-Bessel-Funktionen gemäß dem Ausdruck der umgekehrten Fourier-Bessel-Transformierten ausgedrückt werden, die sich wie folgt ausdrückt:
In dieser Gleichung sind die Ausdrücke P_l,m(f) als Fourier-Bessel-Koeffizienten des Feldes p(r, θ, ϕ, t),
definiert, wobei c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Tones in der Luft (340 ms^–1) ist, j_l(kr) die sphärische Besselfunktion der ersten Gattung der l-ten Ordnung ist, die definiert ist durch
wobei J_v(x) die Bessel-Funktion der ersten Gattung der v-ten Ordnung ist und y m / l(θ, ϕ) die reale sphärische Harmonische der l-ten Ordnung und des m-ten Glieds ist, wobei m von –l bis l reicht, definiert durch: yml (θ, ϕ) = P|m|l (cosθ)trgm(ϕ)mit:
In dieser Gleichung sind die P m / l(x) zugehörige Legendre-Funktionen definiert durch:
mit P_l(x) den Legendre-Polynomen definiert durch:
Die Fourier-Bessel-Koeffizienten drücken sich auch im zeitlichen Bereich durch die Koeffizienten p_l,m(t) entsprechend der zu den Koeffizienten P_l,m(f) umgekehrten zeitlichen Fourier-Transformierten aus.
In weiteren Ausführungsformen wird das akustische Feld auf einer Basis von Funktionen zerlegt, wobei jede der Funktionen durch eine eventuell unendliche, lineare Kombination von Fourier-Bessel-Funktionen ausgedrückt wird.
In 2 sind schematisch Erfassungsvorrichtungen 1 dargestellt, die von N elementaren Sensoren 2₁ bis 2_N gebildet sind.
Diese elementaren Sensoren sind an speziellen Punkten des Raumes um einen vorbestimmten Punkt 4 herum angeordnet, der als Mittelpunkt der Erfassungsvorrichtungen 1 bezeichnet ist.
Somit kann die Position jedes elementaren Sensors im Raum in einem sphärischen Koordinatensystem, wie das unter Bezugnahme auf 1 beschriebene, ausgedrückt werden, welches in dem Mittelpunkt 4 der Erfassungsvorrichtungen 1 zentriert ist.
Wenn er einem akustische Feld P ausgesetzt ist, liefert jeder Sensor 2_n der Erfassungsvorrichtungen 1 ein Messsignal c_n, welches der von diesem Sensor in dem akustischen Feld P vorgenommenen Messung entspricht.
So liefern die Erfassungsvorrichtungen 1 eine Vielzahl von Signalen c₁ bis c_N, welche die von den Erfassungsvorrichtungen 1 gemessenen Messsignale des akustischen Feldes P sind.
Diese von den Erfassungsvorrichtungen 1 ausgesandten Messsignale c₁ bis c_N sind somit direkt mit der Erfassungsleistung der elementaren Sensoren 2₁ bis 2_N verbunden.
In 3 ist ein allgemeines Organigramm des Verfahrens der Erfindung dargestellt.
Das Verfahren beginnt mit einem Schritt 10 zur Erfassung von Parametern und einem Kalibrierschritt 20 für die Erfassungsvorrichtungen, welche beide ermöglichen eine Gesamtheit von Parametern zu definieren, die repräsentativ für die strukturellen und/oder elektro-akustischen Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1 sind.
Bestimmte Parameter und insbesondere die Parameter, die repräsentativ für die elektro-akustischen Eigenschaften sind, sind von der Frequenz abhängig.
Der Erfassungsschritt 10 und der Kalibrierschritt 20, welcher in genaueren Einzelheiten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben werden wird, können gleichzeitig oder in irgendeiner Reihenfolge durchgeführt werden.
Ebenso kann das Verfahren nur den Erfassungsschritt 10 aufweisen.
Der Erfassungsschritt 10 und Kalibrierschritt 20 ermöglichen für einen oder mehrere Sensoren alle oder einen Teil der nachfolgenden Parameter zu bestimmen:

– Parameter x →_n, die repräsentativ für die Position des Sensors 2_n bezüglich des Mittelpunktes 4 der Erfassungsvorrichtungen 1 sind, und die sich in Kugelkoordinaten (r_n, θ_n, ϕ_n) schreiben;
– Parameter d_n(f), die repräsentativ für das Richtwirkungsdiagramm des Sensors 2_n sind, welches alle Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann und erlaubt die Richtwirkung des Sensors 2_n durch eine Kombination aus omnidirektionalen Diagrammen und zweidirektionalen Diagrammen zu beschreiben: wenn d_n(f) = 0, ist der Sensor omnidirektional, wenn d_n(f) = ½, ist der Sensor herzförmig, wenn d_n(f) = 1, ist der Sensor zweidirektional;
– Parameter α_n(f), die repräsentativ sind für die Ausrichtung des Sensors 2_n , d.h. seine Richtung maximaler Empfindlichkeit, welche durch das Winkelpaar (θ α / n, ϕ α / n)(f) gegeben ist;
– Parameter H_n(f), die repräsentativ sind für den Durchlassbereich des Sensors 2_n , welcher für jede Frequenz f der Empfindlichkeit des Sensors 2_n in der Richtung α_n(f) entspricht;
– Parameter σ l / n(f), die repräsentativ sind für die spektrale Leistungsdichte des Grundrauschens des Sensors 2_n ;
– Parameter B_n,l,m(f), die repräsentativ sind für die Erfassungskapazitäten des Sensors 2_n , d.h. für die Art und Weise, in welcher der Sensor 2_n Informationen über das akustische Feld P einholt. Somit ist jeder B_n,l,m(f) repräsentativ für die Erfassungskapazitäten eines Sensors und insbesondere für seine Position im Raum und die Gesamtheit der B_n,l,m(f) ist repräsentativ für die Signalabtastung des akustischen Feldes P, die von den Erfassungsvorrichtungen 1 durchgeführt wird;
– ein Parameter μ(f), der einen Kompromiss zwischen der Darstellungsgenauigkeit des akustischen Feldes P und der Minimierung des von den Sensoren 2₁ bis 2_N erzeugten Grundrauschens spezifiziert, und der jeden Wert zwischen 0 und 1 annehmen kann:
i. wenn μ(f) = 0 ist, ist das Grundrauschen minimal;
ii. wenn μ(f) = 1 ist, ist die räumliche Qualität maximal;
– ein Parameter L(f), der die Reigenfolge spezifiziert, in welcher die Darstellung durchgeführt wird; und
– ein Parameter {(l_k, m_k)}(f), der repräsentativ ist für eine Liste von Koeffizienten, von denen verlangt wird, dass die Leistung gleich der Leistung des entsprechenden Koeffizienten in dem darzustellenden akustischen Feld ist.

In vereinfachten Ausführungsformen werden alle oder ein Teil der beschriebenen Parameter als unabhängig von der Frequenz betrachtet.
Die Parameter μ(f), L(f) und {(l_k, m_k)}(f) sind repräsentativ für Optimierungsstrategien, welche ermöglichen, das Abfragen räumlich-zeitlicher Informationen des akustischen Feldes P ausgehend von den Messsignalen c₁ bis c_N zu beherrschen, und sie werden während des Erfassungsschrittes 10 erfasst. Die anderen Parameter können während des Erfassungsschrittes 10 erfasst oder während des Kalibrierschrittes 20 bestimmt werden.
In vereinfachten Ausführungsformen wird das Verfahren der Erfindung allein mit den Parametern μ(f), L(f) und der Gesamtheit der Parameter x →_n oder der Gesamtheit der Parameter B_n,l,m(f) oder einer Kombination aus den Parametern x →_n und B_n,l,m(f) derart durchgeführt, dass man zumindest über einen Parameter pro elementarer Sensor 2_n verfügt.
Selbstverständlich können alle oder ein Teil der verwendeten Parameter von Speichern oder dedizierten Vorrichtungen geliefert werden, wobei diese Techniken durch einen Operator, wie beschrieben, an den direkten Erfassungsschritt 10 assimilierbar sind.
Am Ende des Erfassungsschrittes 10 und/oder des Kalibrierschrittes 20 umfasst das Verfahren einen Schritt 30 zur Bestimmung von Verschlüsselungsfiltern, die repräsentativ für die zumindest strukturellen und vorteilhafter Weise elektro-akustischen Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1 sind.
Dieser in genaueren Einzelheiten unter Bezugnahme auf 5 beschriebene Schritt 30 ermöglicht, alle während des Erfassungsschrittes 10 und/oder des Kalibrierschrittes 20 bestimmten Parameter zu berücksichtigen.
Diese Verschlüsselungsfilter sind somit repräsentativ für zumindest die Positionseigenschaften der elementaren Sensoren 2_n bezüglich des Bezugspunktes 4 der Erfassungsvorrichtungen 1.
Vorteilhafter Weise sind diese Verschlüsselungsfilter ebenfalls repräsentativ für andere strukturelle Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1, wie die Ausrichtung der elementaren Sensoren 2₁ bis 2_N oder ihre gegenseitigen Beeinflussungen, sowie ihre elektro-akustischen Erfassungskapazitäten und insbesondere ihr Grundrauschen, ihr Richtwirkungsdiagramm, ihr Durchlassbereich, ...
Die am Ausgang des Schrittes 30 erhaltenen Verschlüsselungsfilter können gespeichert werden, so dass die Schritte 10, 20 und 30 nur im Falle der Modifizierung der Erfassungsvorrichtungen 1 oder der Optimierungsstrategien wiederholt werden.
Diese Verschlüsselungsfilter werden während des Schrittes 40 zur Verarbeitung der von den elementaren Sensoren 2₁ bis 2_N ausgesandten Signale c₁ bis c_N angewandt.
Diese Verarbeitung entspricht einem Filtern der Signale und dem Kombinieren der gefilterten Signale.
Am Ausgang dieses Schrittes 40 zur Verarbeitung der Messsignale durch Anwendung der Verschlüsselungsfilter auf diese Signale wird eine begrenzte Anzahl von Koeffizienten geliefert, die repräsentativ in der Zeit und in den drei Dimensionen des Raumes des akustischen Feldes P sind.
Diese Koeffizienten sind so genannte Fourier-Bessel-Koeffizienten, die mit P_l,m(f) bezeichnet sind, und die einer Darstellung des akustischen Feldes P entsprechen, die praktisch unabhängig von den Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1 ist.
Es wird somit deutlich, dass man dank des Verfahrens der Erfindung eine genaue Darstellung des akustischen Feldes erhält, dessen zeitliche und räumliche Eigenschaften unabhängig von den eingesetzten Erfassungsvorrichtungen aufgezeichnet werden.
In 4 ist ein Organigramm einer Ausführungsform des Kalibrierschrittes 20 dargestellt.
In dieser Ausführungsform ermöglicht der Kalibrierschritt 20, die Koeffizienten, die repräsentativ für die Erfassungskapazitäten der Erfassungsvorrichtungen 1 sind, direkt zu bestimmen.
Dieser Schritt 20 beginnt mit einem Unterschritt 22 des Aussendens eines speziellen akustischen Feldes zu den Erfassungsvorrichtungen 1 und mit einem Unterschritt 24 der Erfassung der Messsignale durch die dem ausgesandten akustischen Feld ausgesetzten Erfassungsvorrichtungen 1.
Diese Schritte 22 und 24 werden für eine Vielzahl Q von unterschiedlichen speziellen Feldern wiederholt und erfordern Vorrichtungen zur Erzeugung spezieller akustischer Felder und Vorrichtungen zur Bewegung und/oder Drehung der Erfassungsvorrichtungen 1.
Beispielsweise wird der Kalibrierschritt 20 mit Hilfe von Vorrichtungen zur Erzeugung eines akustischen Feldes durchgeführt, die nur einen festen Lautsprecher aufweisen, der als punktuell angenommen wird und einen flachen Durchlassbereich aufweist, wobei der Lautsprecher und die Erfassungsvorrichtungen 1 in einer echofreien Umgebung angeordnet sind.
Bei jedem Erzeugungsschritt 22 sendet der Lautsprecher das gleiche akustische Feld aus und die Erfassungsvorrichtungen sind an der gleichen Stelle angeordnet, aber gemäß unterschiedlichen und bekannten Richtungen ausgerichtet.
Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, den Lautsprecher zu verschieben.
Somit befindet sich der Lautsprecher in dem Koordinatensystem der Erfassungsvorrichtungen 1 in einer für jedes erzeugte Feld q unterschiedlichen Position (r hp / q, θ hp / q, ϕ hp / q).
Die Erfassungsvorrichtungen 1 sind somit einem akustischen Feld q ausgesetzt, dessen Fourier-Bessel-Koeffizienten P_l,m(f) in dem Koordinatensystem der Erfassungsvorrichtungen 1 bis zu einer gegebenen Ordnung bekannt sind, die mit L₃ bezeichnet ist.
In der beschriebenen Ausführungsform bestehen die in Folge des Erfassungsunterschrittes 24 gelieferten Messsignale aus einer endlichen Anzahl von Koeffizienten, die repräsentativ sind für das erzeugte akustische Feld q, sowie für die Erfassungskapazitäten der Erfassungsvorrichtungen 1.
Die Parameter L₃ und Q werden so gewählt, dass sie der Bedingung genügen: Q ≥ (L3 + 1)2
Vorteilhafter Weise umfasst das Verfahren nachfolgend einen Unterschritt 26 zur Modellierung, welcher ermöglicht eine Darstellung von Q akustischen Feldern zu bestimmen, die während des Unterschrittes 22 ausgesandt wurden.
So wird im Verlauf des Unterschrittes 26 eine Modellierungsmatrix P bestimmt, die repräsentativ ist für die Gesamtheit von Q bekannten, akustischen Feldern, denen die Erfassungsvorrichtungen 1 nacheinander ausgesetzt werden. Diese Matrix P ist eine Matrix der Größe (L₃ + 1)² auf Q, die aus den Elementen P_l,m,q(f) besteht, wobei die Indices (l, m) die Zeile l² + l + m bezeichnen und der Index q die Spalte q. Die Matrix P hat somit die folgende Form:
In der beschriebenen Ausführungsform wird das von dem Lautsprecher erzeugte akustische Feld durch eine Kugelstrahlung modelliert und somit sind in dem Koordinatensystem der Erfassungsvorrichtungen 1 die Koeffizienten P_l,m,q(f) jedes so erzeugten akustischen Feldes q dank dem nachfolgenden Verhältnis bekannt:
Die während des Unterschrittes 26 erhaltenen Koeffizienten werden dann während eines Unterschrittes 28 verwendet, um Parameter zu bestimmen, die repräsentativ sind für strukturelle und/oder akustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1.
In der beschriebenen Ausführungsform verwendet dieser Unterschritt 28 ebenfalls die Modellierungsmatrix P, die während des Unterschrittes 26 bestimmt wurde.
Dieser Unterschritt 28 beginnt mit der Bestimmung einer Matrix C, die repräsentativ ist für die Gesamtheit der Signale c_n,q(t), die am Ausgang der N Sensoren in Reaktion auf die Q bekannten Felder gesammelt werden. Diese Matrix C ist eine Matrix der Größe N auf Q, die aus den Elementen C_n,q(f) gebildet ist, wobei der Index n die Zeile n und der Index q die Spalte q bezeichnet. Die Elemente C_n,q(f) leiten sich durch die Fourier-Transformierte aus den Signalen c_n,q(t)ab. Die Matrix C hat somit die folgende Form:
Die Matrix C ist repräsentativ für die Erfassungskapazitäten der Erfassungsvorrichtungen 1 und für die Q ausgesandten akustischen Felder.
In der beschriebenen Ausführungsform werden die Koeffizienten B_n,l,m(f) im Verlauf des Unterschrittes 28 anhand der Matrices C und P bestimmt unter Verwendung der klassischen Verfahren der verallgemeinerten Matrixinversion, die auf die Verbindung angewandt werden, welche C mit P verbindet. Beispielsweise werden die Koeffizienten B_n,l,m(f) in eine Matrix B eingesetzt, die durch das folgende Verhältnis bestimmt ist: B = CPT(PPT)–1
B ist eine Matrix der Größe N auf (L₃ + 1)², die von den Koeffizienten B_n,l,m(f) gebildet ist, wobei der Index n die Zeile bezeichnet und die Indices (l, m) die Spalte l² + l + m bezeichnen. Die Matrix B hat somit die folgende Form:
Diese Unterschritte 26 und 28 werden für jede Betriebsfrequenz durchgeführt und die so bestimmten Koeffizienten bilden direkt die Parameter, die repräsentativ sind für die Erfassungskapazitäten der Erfassungsvorrichtungen 1.
Die Unterschritte 26 und 28 des Kalibrierschrittes 20 können auf verschiedene Weisen in Abhängigkeit von den Parametern durchgeführt werden, die bestimmt werden müssen.
Beispielsweise nutzen in dem Fall, wo der Kalibrierschritt 20 ermöglicht, die Position x →_n jedes Sensors 2_n zu bestimmen, die Unterschritte 26 und 28 die Fortpflanzungszeiten der von den Lautsprechern ausgesandten Wellen bis zum Erreichen der Sensoren 2_n aus. Die Position jedes Sensors 2_n wird mit Hilfe von zumindest drei Messungen der Fortpflanzungszeit gemäß den Triangulierungsverfahren bestimmt.
In einem anderen Fall ermöglichen die Unterschritte 26 und 28, anhand der Signale c_n,q(t) die Impulsreaktionen jedes Sensors 2_n zu bestimmen, wenn der Lautsprecher einen gegebenen Impuls aussendet.
Beispielsweise werden in diesem Fall die üblichen Techniken zur Bestimmung von Impulsreaktionen eingesetzt, wie MLS (in Englisch: Maximum Length Sequence).
Vorteilhafter Weise ermöglicht der Kalibrierschritt 20 die Bestimmung von elektroakustischen Eigenschaften der Sensoren. Er beginnt daher mit der Bestimmung des Richtwirkungsdiagramms jedes Sensors 2_n für jede betreffende Frequenz f, indem beispielsweise der Durchlassbereich jedes Sensors 2_n für mehrere Richtungen bestimmt wird.
In einem zweiten Schritt werden alle oder ein Teil der nachfolgenden Parameter bestimmt:

– Parameter α_n(f), die repräsentativ sind für die Ausrichtung jedes Sensors 2_n , d.h. für seine Richtung maximaler Empfindlichkeit, welche durch die Winkel (θ α / n, ϕ α / n)(f) gegeben ist, für welche das Richtwirkungsdiagramm ein Maximum auf der laufenden Frequenz f zulässt;
– Parameter H_n(f), die repräsentativ sind für den Durchlassbereich jedes Sensors 2_n in der Richtung der maximalen Empfindlichkeit, welcher somit dem Wert des Richtwirkungsdiagramms für die Richtung (θ α / n, ϕ α / n)(f) entspricht; und
– Parameter d_n(f), die repräsentativ sind für das Richtwirkungsdiagramm jedes Sensors, welches ermöglicht die Richtwirkung jedes Sensors durch ein Modell zu beschreiben, das aus einer Kombination von omnidirektionalen Diagrammen und zweidirektionalen Diagrammen besteht, welche gemäß der Richtung α_n(f) ausgerichtet sind, und zwar mit Hilfe des folgenden Richtwirkungsmodells: 1 – dn(f) + dn(f)cos(αn(f)·(θ, ϕ)) wobei α_n(f)·(θ, ϕ) das skalare Produkt zwischen den Richtungen α_n(f) und (θ, ϕ) bezeichnet.

Dieser Parameter d_n(f) kann mit Hilfe gewöhnlicher Verfahren zur Schätzung von Parametern bestimmt werden, beispielsweise indem eine Methode der kleinsten Quadrate angewandt wird, welche den Wert von d_n(f) liefert, welcher den Fehler zwischen dem realen Richtwirkungsdiagramm und dem Im Modell dargestellten Richtwirkungsdiagramm minimiert.
Vorteilhafter Weise ermöglicht der Kalibrierschritt 20 ebenfalls den Parameter σ 2 / n(f) zu bestimmen, welcher der spektralen Leistungsdichte des Grundrauschens der Sensoren entspricht. Somit wird im Verlauf dieses Schrittes 20 das von dem Sensor 2_n gelieferte Signal in Abwesenheit eines akustischen Feldes abgefangen. Der Parameter σ 2 / n(f) wird mit Hilfe von Schätzmethoden für die spektrale Leistungsdichte bestimmt, beispielsweise durch die so genannte Wellenschaubildmethode.
Abhängig von den Ausführungsformen werden die Unterschritte 22 bis 28 vollständig oder teilweise wiederholt, beispielsweise um die Bestimmung mehrerer Parametertypen zu ermöglichen, wobei bestimmte Unterschritte mit der Bestimmung verschiedener Parametertypen gemein sein können.
Der Kalibrierschritt 20 kann ebenfalls mit Hilfe anderer Mittel als den beschriebenen durchgeführt werden, wie direkte Messungen beispielsweise mit Hilfe optischer Messvorrichtungen für die Position jedes elementaren Sensors 2_n bezüglich des Mittelpunktes 4 der Erfassungsvorrichtungen 1.
Außerdem kann der Kalibrierschritt 20 eine Simulation einsetzen, beispielsweise mit Hilfe eines Computers, von Signalen, die repräsentativ sind für die Erfassungskapazitäten der elementaren Sensoren 2_n .
Es wird somit deutlich, dass dieser Kalibrierschritt 20 ermöglicht alle oder einen Teil der Parameter zu bestimmen, die repräsentativ sind für die strukturellen und/oder elektro akustischen Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1, die während des Schrittes 30 zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter verwendet werden.
In 5 ist ein Organigramm einer Ausführungsform des Schrittes 30 zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter dargestellt.
Der Schritt 30 umfasst einen Unterschritt 32 zur Bestimmung einer Matrix B, die repräsentativ ist für die Erfassungskapazitäten der Erfassungsvorrichtungen 1, oder auch einer Signalabtastmatrix.
In der beschriebenen Ausführungsform wird die Matrix B anhand der Parameter x →_n, H_n(f), d_n(f), α_n(f) und B_n,l,m(f) bestimmt und ist eine Matrix der Größe N auf (L(f) + 1)², die aus Elementen B_n,l,m(f) besteht, wobei der Index n die Zeile n und die Indices (l, m) die Spalte l² + l + m bezeichnen. Die Matrix B hat somit die folgende Form:
Bestimmte Elemente der Matrix B können direkt während der Schritte 10 oder 20 bestimmt werden. Die Matrix B wird dann mit den Elementen vervollständigt, die ausgehend von einer Modellierung der Sensoren bestimmt werden.
In dieser Ausführungsform wird jeder Sensor n durch einen punktuellen Sensor modelliert, der in der Position x →_n angeordnet ist, der eine Richtwirkung aufweist, die aus einer Kombination von omnidirektionalen Diagrammen und zweidirektionalen Diagrammen der Proportion d_n(f) besteht, der in der Richtung α_n(f) ausgerichtet ist, und der einen Durchlassbereich H_n(f) besitzt.
Die komplementären Elemente B_n,l,m(f) werden dann gemäß dem Verhältnis bestimmt:
und wobei: ur = sinθnsinθαn (f)cos(ϕn – ϕαn (f)) + cosθncosθαn (f) uθ = cosθnsinθαn (f)cos(ϕn – ϕαn (f)) – sinθncosθαn (f) uϕ = sinθαn (f)sin(ϕαn (f) – ϕn)
In dem Fall, wo die Sensoren radial ausgerichtet sind, lässt das Verhältnis einen einfacheren Ausdruck zu:
Der Schritt 30 umfasst dann einen Unterschritt 34 zur Bestimmung einer Interkorrelationsmatrix A, die repräsentativ ist für die Ähnlichkeit zwischen den Signalen c₁ bis c_N, die von den Sensoren 2₁ bis 2_N geliefert werden, aufgrund der Tatsache, dass diese Sensoren 2₁ bis 2_N Messungen an einem gleichen akustischen Feld P durchführen. Die Matrix A wird anhand der Signalabtastmatrix B bestimmt. A ist eine Matrix der Größe N auf N, die mit Hilfe des Verhältnisses: A = BBT erhalten wird.
Vorteilhafter Weise wird die Matrix A genauer unter Verwendung einer Matrix B bestimmt, welche bis zu einer Ordnung L₂ gemäß der Methode des vorherigen Schrittes vervollständigt wurde.
Da sich die Matrix A allein in Abhängigkeit von der Matrix B ausdrücken kann, kann der Unterschritt 34 zur Bestimmung der Interkorrelationsmatrix A als ein Zwischenschritt zur Berechnung betrachtet werden und kann daher in einen anderen Unterschritt des Schrittes 30 integriert werden.
Der Schritt 30 umfasst dann einen Unterschritt 36 zur Bestimmung einer Verschlüsselungsmatrix E(f), die repräsentativ für die Verschlüsselungsfilter für eine gegebene Frequenz ist. Die Matrix E(f) wird ausgehend von den Matrices A und B und den Parametern L(f), μ(f), {(l_k, m_k)}(f) und σ 2 / n(f) bestimmt. Die Matrix E(f) ist eine Matrix der Größe (L(f) + 1)² auf N, die von Elementen E_l,m,n(f) gebildet ist, wobei die Indices (l, m) die Zeile l² + l + m bezeichnen und der Index n die Spalte n bezeichnet. Die Matrix E(f) hat somit die folgende Form:
Die Matrix E(f) wird Zeile für Zeile bestimmt. Für jede Betriebsfrequenz f nimmt jede Zeile E_l,m mit dem Index (l, m) der Matrix E(f) die folgende Form an: [El,m,1(f)El,m,2(f) ...... El,m,N(f)]
Die Elemente E_l,m,n(f) der Zeile E_l,m werden durch die folgenden Ausdrücke erhalten:

– wenn (l, m) zu der Liste {(l_k, m_k)}(f) gehört, dann: El,m = μ(f)BTl,m ((μ(f) – λ)A + (1 – μ(f))ΣN)–1A((μ(f) – λ)A + (1 – μ(f))ΣN)–1Bl,m = 1und wobei der Wert von λ mit Hilfe von analytischen oder numerischen Suchmethoden von Gleichungswurzeln unter eventueller Verwendung von Matrix-Diagonalisierungsmethoden bestimmt wird; und
– wenn (l, m) nicht zu der Liste {(l_k, m_k)}(f) gehört, dann: El,m = μ(f)BTl,m (μ(f)A + (1 – μ(f))ΣN)–1

In diesen Ausdrücken ist B_l,m die Spalte (l, m) der Matrix B und Σ_N ist eine diagonale Matrix der Größe N auf N, die repräsentativ für das Grundrauschen der Sensoren ist, wobei das Element n der Diagonalen σ 2 / n(f) ist.
Die Unterschritte 32, 34 und 36 zur Bestimmung der Matrices A, B und E(f) werden für jede Betriebsfrequenz f wiederholt.
Selbstverständlich sind die Parameter in vereinfachten Ausführungsformen unabhängig von der Frequenz und die Unterschritte 32, 34 und 36 werden nur einmal ausgeführt. Der Unterschritt 36 ermöglicht somit direkt die Bestimmung einer Matrix E, die unabhängig von der Frequenz ist.
Während eines nachfolgenden Unterschrittes 38 werden Parameter FD, die repräsentativ für die Verschlüsselungsfilter sind, anhand der Matrix E(f) bestimmt. Jedes Element E_l,m,n(f) der Matrix E(f) stellt den Durchlassbereich eines Verschlüsselungsfilters dar. Jeder Verschlüsselungsfilter kann durch die Parameter FD in unterschiedlichen Formen beschrieben werden.
Beispielsweise sind die Parameter FD, die repräsentativ für die Filter E_l,m,n(f) sind:

– Durchlassbereiche, wobei die Parameter FD somit direkt die für bestimmte Frequenzen f berechneten E_l,m,n(f) sind;
– endliche Impulsantworten e_l,m,n(t), die durch die umgekehrte Fourier-Transformierte von E_l,m,n(f) berechnet werden, wobei jede Impulsantwort e_l,m,n(t) abgetastet und dann auf eine für jede Antwort eigene Länge gekürzt wird; und
– Filterkoeffizienten, die rekursiv zu endlichen Impulsantworten sind, welche anhand der E_l,m,n(f) mit Adaptationsmethoden berechnet werden.

Somit liefert der Schritt 30 zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter Parameter FD, welche Verschlüsselungsfilter beschreiben, die repräsentativ für zumindest strukturelle und/oder elektro-akustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1 sind.
Insbesondere sind diese Filter repräsentativ für die folgenden Eigenschaften:

– Position der Sensoren 2₁ bis 2_N ;
– den Sensoren 2₁ bis 2_N innewohnende elektro-akustische Eigenschaften, insbesondere die spektrale Leistungsdichte des Grundrauschens und die Erfassungskapazitäten des akustischen Feldes; und
– Optimierungsstrategien, insbesondere der Kompromiss zwischen der räumlichen Erfassungsgenauigkeit des akustischen Feldes und der Minimierung des durch die Sensoren erzeugten Grundrauschens.

In 6 ist in Einzelheiten eine Ausführungsform des Schrittes 40 zur Verarbeitung der von den Erfassungsvorrichtungen 1 gelieferten Messsignale durch Anwendung der Verschlüsselungsfilter auf diese Signale und durch Summierung der gefilterten Signale dargestellt.
Während des Schrittes 40 werden die Koeffizienten P ^_l,m(t), die repräsentativ für das akustische Feld P sind, ausgehend von den Signalen c₁ bis c_N abgeleitet, die von den elementaren Sensoren 2₁ bis 2_N ausgegeben werden, und zwar durch Anwendung der Verschlüsselungsfilter mit dem Durchlassbereich E_l,m,n(f) in der folgenden Weise:
wobei P ^_l,m(f) die Fourier-Transformierte von P ^_l,m(t) und C_n(f) die Fourier-Transformierte von c_n(t) ist.
In dem Beispiel ist der Fall einer Filterung durch endliche Impulsantwort beschrieben. Diese Filterung erfordert zu Anfang die Bestimmung eines Parameters T_n,l,m, der der Anzahl von Abtastmustern entspricht, die jeder Antwort e_n,l,m(t) zueigen sind, was zu dem folgenden Faltungsausdruck führt:
Diese Koeffizienten P ^_l,m sind eine endliche Anzahl von Koeffizienten, die repräsentativ in der Zeit und in den drei Dimensionen des Raumes für das akustische Feld sind und eine genaue Darstellung dieses akustischen Feldes bilden.
Gemäß der Beschaffenheit der Parameter FD können weitere Filterungen durch E_l,m,n(f) gemäß verschiedener Filtermethoden durchgeführt werden, wie beispielsweise:

– wenn die Parameter FD direkt die Durchlassbereiche E_l,m,n(f) liefern, wird die Filterung mit Hilfe von Filtermethoden im Frequenzbereich durchgeführt, wie beispielsweise Faltungstechniken in Blöcken;
– wenn die Parameter FD die endliche Impulsantwort e_l,m,n(t) liefern, wird die Filterung im zeitlichen Bereich durch Faltung durchgeführt; und
– wenn die Parameter FD die Koeffizienten eines auf die endliche Impulsantwort rekursiven Filters liefern, wird die Filterung in dem zeitlichen Bereich mit Hilfe der Rekursionsrelation durchgeführt.

Es wird somit deutlich, dass die Erfindung ermöglicht ein akustisches Feld genau darzustellen durch eine von den Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen praktisch unabhängige Darstellung in Form von Fourier-Bessel-Koeffizienten.
Außerdem kann, wie dies bereits zuvor erwähnt worden ist, das Verfahren der Erfindung in vereinfachten Ausführungsformen eingesetzt werden.
Wenn beispielsweise alle Sensoren 2₁ bis 2_N praktisch omnidirektional und praktisch identisch in der Empfindlichkeit und im Niveau des Grundrauschens sind, kann das Verfahren der Erfindung allein mit Hilfe der Kenntnis der Parameter x →_n durchgeführt werden, die repräsentativ sind für die Position der Sensoren 2_N bezüglich des Mittelpunktes 4 der Erfassungsvorrichtungen 1, und der Parameter μ und L, welche die Optimierungsstrategie betreffen.
Außerdem wird in dieser vereinfachten Ausführungsform davon ausgegangen, dass die Parameter unabhängig von der Frequenz sind.
Somit werden mit Hilfe dieser Parameter die Matrices A und B gleichzeitig oder hintereinander in irgendeiner Reihenfolge während der Unterschritte 32 und 34 berechnet.
Die Elemente B_n,l,m(f) der Matrix B sind somit in der folgenden Weise organisiert:
mit: Bn,l,m(f) = 4πjljl(krn)yml (θn, ϕn)
Ebenso sind die Elemente A_n1,n2(f) der Matrix A auf die folgende Weise organisiert:
In dieser Ausführungsform wird die Matrix A ausgehend von der Matrix B mit Hilfe des Verhältnisses erhalten: A = BBT
Vorteilhafter Weise werden die Elemente A_n1,n2(f) der Matrix A mit einer größeren Genauigkeit durch die folgende Relation bestimmt:
wobei L₂ die Ordnung ist, in welcher die Bestimmung der Matrix A durchgeführt wird, und eine größere Ganzzahl als L ist. Je größer L₂ gewählt wird, desto genauer, aber auch desto länger wird die Berechnung der Elemente A_n1,n2(f).
Während des Unterschrittes 36 wird die Verschlüsselungsmatrix E, die repräsentativ für die Verschlüsselungsfilter ist, ausgehend von den Matrices A und B und dem Parameter μ gemäß dem Ausdruck: E = μBT(μA + (1 – μ)IN)–1 bestimmt.
Die Elemente E_l,m,n(f) der Matrix E sind i n der folgenden Weise organisiert:
Die Unterschritte 32, 34 und 36 zur Bestimmung der Matrices A und B und dann E werden für die Gesamtheit der Betriebsfrequenzen f wiederholt.
Jedes Element E_l,m,n(f) entspricht einem Verschlüsselungsfilter, der die räumliche Verteilung der Sensoren 2_N sowie die Optimierungsstrategie integriert.
Während der Phase 40 werden die von den Sensoren 2₁ bis 2_N ausgegebenen Signale c₁ bis c_N mit Hilfe der von den Parametern FD beschriebenen Verschlüsselungsfilter gefiltert. Jeder gelieferte Koeffizient P ^_l,m(t) wird ausgehend von den Signalen c₁ bis c_N durch Anwendung der Filter in der folgenden Weise abgeleitet:
wobei P ^_l,m(f) die Fourier-Transformierte von P ^_l,m(t) und C_n(f) die Fourier-Transformierte von c_n(t) ist.
In dieser Ausführungsform werden die Koeffizienten P ^_l,m(t) mit Hilfe von Filtermethoden im Frequenzbereich bestimmt, wie beispielsweise den Faltungstechniken im Block.
Die Darstellung des akustischen Feldes berücksichtigt somit die Position der Sensoren und die gewählten Optimierungsparameter und bildet eine genaue Schätzung des akustischen Feldes.
In 7 ist ein synoptisches Schema einer Vorrichtung dargestellt, welche für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung eingerichtet ist.
In dieser Abbildung ist eine Vorrichtung 50 zur Darstellung des akustischen Feldes P mit Erfassungsvorrichtungen 1 verbunden, wie sie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben sind.
Die Vorrichtung 50 oder Verschlüsselungsvorrichtung ist ebenfalls am Eingang mit Vorrichtungen 60 zur Bestimmung von Parametern verbunden, die repräsentativ sind für strukturelle und/oder elektro-akustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1.
Diese Vorrichtungen 60 umfassen insbesondere Parametererfassungsvorrichtungen 62 und Kalibriervorrichtungen 64, die dafür eingerichtet sind, jeweils die Schritte 10 und 20 des Verfahrens der Erfindung, wie zuvor beschrieben, durchzuführen.
Die Verschlüsselungsvorrichtung 50 empfängt von den Vorrichtungen 60 zur Bestimmung von Parametern eine Vielzahl von Parametern, die repräsentativ sind für die Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen 1, und die verteilt sind zwischen einem Signal CL zur Definition der strukturellen Eigenschaften und einem Signal CP zur Parametrierung der strukturellen und/oder elektro-akustischen Eigenschaften.
Die Vorrichtung empfängt ebenfalls Parameter, welche die Darstellungsstrategien betreffen, in einem Signal OS zur Optimierung der Darstellung.
In diesen Signalen verteilen sich die Parameter in folgender Art und Weise:

– in dem Definitionssignal CL:
– Parameter x →_n, die repräsentativ sind für die Position des Sensors 2_N ;
– in dem Parametrierungssignal CP:
– Parameter H_n(f), die repräsentativ sind für den Durchlassbereich des Sensors 2_n ;
– Parameter d_n(f), die repräsentativ sind für das Richtwirkungsdiagramm des Sensors 2_n ;
– Parameter α_n(f), die repräsentativ sind für die Ausrichtung des Sensors 2_n ;
– Parameter σ 2 / n(f), die repräsentativ sind für die spektrale Leistungsdichte des Grundrauschens des Sensors 2_n ; und
– Parameter B_n,l,m(f), die repräsentativ sind für die Erfassungskapazitäten des Sensors 2_n ; und
– in dem Optimierungssignal OS:
– ein Parameter μ(f), der den Kompromiss zwischen der Darstellungsgenauigkeit des akustischen Feldes und der Minimierung des von den Sensoren erzeugten Grundrauschens spezifiziert;
– ein Parameter L(f), der die Ordnung spezifiziert, in welcher die Darstellung durchgeführt wird; und
– ein Parameter ({(lk, mk)}(f)), der repräsentativ für eine Liste von Koeffizienten ist, von denen verlangt wird, dass die Leistung gleich der Leistung des entsprechenden Koeffizienten in dem darzustellenden akustischen Feld P ist.

Vorteilhafter Weise weist diese Vorrichtung 50 Vorrichtungen 51 zur Formgebung der Eingangssignale auf, die dafür eingerichtet sind, ausgehend von den Signalen c₁ bis c_N ein in die entsprechende Form gebrachtes Signal SI zu liefern.
Beispielsweise umfassen die Vorrichtungen 51 Analog-Digital-Umwandler, Verstärker oder auch Filtersysteme.
Die Vorrichtung 50 weist außerdem Vorrichtungen 52 zur Bestimmung von Verschlüsselungsfiltern auf, welche ein Modul 55 zur Berechnung der Signalabtastmatrix B und ein Modul 56 zur Berechnung der Interkorrelationsmatrix A umfassen, die beide mit einem Modul 57 zur Berechnung der Verschlüsselungsmatrix E(f) verbunden sind.
Diese Verschlüsselungsmatrix E(f) wird von einem Modul 58 zur Bestimmung von Verschlüsselungsfiltern benutzt, welches ein Signal S_FD liefert, das die Parameter FD enthält, die repräsentativ für die Verschlüsselungsfilter sind.
Dieses Signal S_FD wird von einem Verarbeitungsmodul 59 benutzt, welches die Verschlüsselungsfilter auf das Signal SI anwendet, um ein Signal SI_FB zu liefern, das die für das akustische Feld P repräsentativen Fourier-Bessel-Koeffizienten aufweist.
Eventuell umfasst die Vorrichtung 50 einen nicht-flüchtigen Speicher, in dem die Parameter gespeichert sind, die das Signal S_FD bilden, und die zuvor bestimmt worden sind.
Beispielsweise werden die Erfassungsvorrichtungen 1 von ihrem Konstrukteur getestet und kalibriert, um direkt einen Speicher zu liefern, der die Gesamtheit der Parameter des Signals S_FD aufweist, und der in eine Verschlüsselungsvorrichtung integriert werden soll, um die Erfassung des akustischen Feldes P durchzuführen und eine genaue Darstellung dieses letzteren zu liefern.
Ebenso umfasst der Speicher in einer Variante nur die Matrices B und eventuell A und die Vorrichtung 50 umfasst Vorrichtungen zur Erfassung der Parameter, welche das Optimierungssignal OS bilden, um die Bestimmung der Verschlüsselungsmatrix E(f) und die Bestimmung der für die Verschlüsselungsfilter repräsentativen Parameter FD durchzuführen.
Selbstverständlich sind andere Verteilungen zwischen den verschiedenen beschriebenen Modulen bedarfsabhängig denkbar.

Claims

Verfahren zur Darstellung eines akustischen Feldes mit einem Schritt der Erfassung von Messsignalen (c_n), die von Erfassungsvorrichtungen (1) ausgesandt werden, welche von einem oder mehreren elementaren Sensoren (2_n ) gebildet sind, die dem akustischen Feld (P) ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: – einen Schritt (30) zur Bestimmung von Verschlüsselungsfiltern, die repräsentativ für zumindest strukturelle Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) sind; und – einen Schritt (40) zur Verarbeitung der Messsignale (c_n) durch Anwendung der Verschlüsselungsfilter auf diese Signale (c_n) zur Bestimmung einer begrenzten Anzahl von repräsentativen Koeffizienten des akustischen Feldes (P) in der Zeit und in den drei Dimensionen des Raumes, wobei die Koeffizienten ermöglichen, eine Darstellung des akustischen Feldes (P) zu erhalten, die praktisch unabhängig von den Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturellen Eigenschaften zumindest Positionseigenschaften der elementaren Sensoren (2_n ) bezüglich eines vorbestimmten Bezugspunktes der Erfassungsvorrichtungen (1) umfassen.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlüsselungsfilter außerdem repräsentativ für elektro-akustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) sind.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektroakustischen Eigenschaften zumindest Eigenschaften aufweisen, die mit dem eigentlichen elektro-akustischen Erfassungsvermögen der elementaren Sensoren (2_n ) verbunden sind.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten, die ermöglichen eine Darstellung des akustischen Feldes (P) zu erhalten, so genannte Fourier-Bessel-Koeffizienten und/oder lineare Kombinationen von Fourier-Bessel-Koeffizienten sind.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (30) zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter umfasst: – einen Unterschritt (30) zur Bestimmung einer Signalabtastmatrix (B), die repräsentativ für das Erfassungsvermögen der Erfassungsvorrichtungen (1) ist; – einen Unterschritt (34) zur Bestimmung einer Interkorrelationsmatrix (A), die repräsentativ für die Ähnlichkeit zwischen den Messsignalen (c_n) ist, welche von den die Erfassungsvorrichtungen (1) bildenden elementaren Sensoren (2_n ) geliefert werden; und – einen Unterschritt (36) zur Bestimmung einer Verschlüsselungsmatrix (E(f); E) auf der Basis der Signalabtastmatrix (B), der Interkorrelationsmatrix (A) und eines Parameters (μ(f)), der repräsentativ für einen gewünschten Kompromiss zwischen der Darstellungsgenauigkeit des akustischen Feldes und der Minimierung des von den Erfassungsvorrichtungen (1) erzeugten Grundrauschens ist, wobei die Matrix repräsentativ für die Verschlüsselungsfilter ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschritte zur Bestimmung der Matrices für eine begrenzte Anzahl von Betriebsfrequenzen durchgeführt werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (32) zur Bestimmung der Signalabtastmatrix (B) für jeden der elementaren Sensoren (2_n ), welche die Erfassungsvorrichtungen (1) bilden, durchgeführt wird, und zwar ausgehend von: – Parametern (x p_n), die repräsentativ für die Position des Sensors (2_n ) bezüglich des Mittelpunktes (4) der Erfassungsvorrichtungen (1) sind; und/oder – einer begrenzten Anzahl von Koeffizienten (B_n,l,m(f)), die repräsentativ für das Erfassungsvermögen des Sensors (2_n ) sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur Bestimmung der Signalabtastmatrix (B) außerdem auf der Basis zumindest eines Parameters durchgeführt, der stammt aus: – Parametern (H_n(f)), die repräsentativ für die Durchlassbereiche aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind; – Parametern (d_n(f)), die repräsentativ für die Richtwirkungsdiagramme aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind; – Parametern (α_n(f)), die repräsentativ für die Ausrichtungen aller oder eines Teil der Sensoren (2_n ) sind, nämlich für die Ausrichtung ihrer maximalen Empfindlichkeit; – Parametern (σ² _n(f)), die repräsentativ für die spektralen Leistungsdichten des Grundrauschens aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind; – einem Parameter (L(f)), der die Reihenfolge, in welcher die Darstellung ausgeführt wird, spezifiziert; und – einem Parameter ({(lk, mk)}(f)), der repräsentativ für eine Liste von Koeffizienten ist, von denen verlangt wird, dass die Leistung gleich der Leistung des entsprechenden Koeffizienten in dem darzustellenden akustischen Feld (P) ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Kalibrierschritt umfasst, der ermöglicht, alle oder einen Teil der in dem Schritt (30) zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter verwendeten Parameter zu liefern.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierschritt (20) für zumindest einen der die Erfassungsvorrichtungen (1) bildenden elementaren Sensoren (2_n ) umfasst: – einen Unterschritt (24) zur Erfassung von Signalen, die repräsentativ für das Erfassungsvermögen des zumindest einen Sensors (2_n ) sind; und – einen Unterschritt (28) zur Bestimmung von Parametern, die repräsentativ für elektro-akustische und/oder strukturelle Eigenschaften des zumindest einen Sensors (2_n ) sind.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierschritt (20) außerdem umfasst: – einen Unterschritt (22) zum Aussenden eines spezifischen akustischen Feldes zu dem zumindest einen Sensor (2_n ), wobei der Unterschritt (24) der Erfassung der Erfassung der von diesem Sensor (2_n ), gelieferten Signale entspricht, wenn dieser dem spezifischen akustischen Feld ausgesetzt ist; und – einen Unterschritt (26) zur Umformung des spezifischen akustischen Feldes in eine begrenzte Anzahl von Koeffizienten, um die Durchführung des Unterschrittes (28) zur Bestimmung von Parametern zu ermöglichen, die repräsentativ für elektro-akustische und/oder strukturelle Eigenschaften des Sensors (2_n ) sind.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierschritt (20) einen Unterschritt des Empfangs einer begrenzten Anzahl von Signalen umfasst, die repräsentativ für die elektroakustischen und strukturellen Eigenschaften der die Erfassungsvorrichtungen (1) bildenden Sensoren (2_n ) sind, wobei diese Signale direkt während des Unterschrittes zur Bestimmung der elektro-akustischen und/oder strukturellen Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) verwendet werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Erfassungsschritt (10) umfasst, der ermöglicht, alle oder einen Teil der während des Schrittes (30) zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter eingesetzten Parameter zu bestimmen.
Computerprogramm mit Programmcodeanweisungen zur Durchführung der Schritte des Verfahrens gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Mobiler Träger der Art mit zumindest einem Verarbeitungsprozessor und einem nicht-flüchtigen Speicherelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher ein Programm umfasst, welches Codeanweisungen für die Durchführung der Schritte des Verfahrens gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, wenn der Prozessor das Programm ausführt.
Vorrichtung zur Darstellung eines akustischen Feldes, welche an Erfassungsvorrichtungen (1) angeschlossen werden kann, die von einem oder mehreren elementaren Sensoren (2_n ) gebildet sind, die Messsignale (c_n) liefern, wenn sie dem akustischen Feld (P) ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Modul (59) aufweist zur Verarbeitung der Messsignale (c_n) durch Anwendung von Verschlüsselungsfiltern, die repräsentativ für zumindest strukturelle Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) sind, auf diese Messsignale (c_n), um ein Signal (SI_FB) zu liefern, das eine begrenzte Anzahl von Koeffizienten umfasst, die repräsentativ in der Zeit und in den drei Dimensionen des Raumes des akustischen Feldes (P) sind, wobei die Koeffizienten ermöglichen, eine Darstellung des akustischen Feldes (P) zu erhalten, die praktisch unabhängig von den Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlüsselungsfilter außerdem repräsentativ für elektro-akustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) sind.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Vorrichtungen (52) zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter aufweist, die repräsentativ für strukturelle und/oder elektro-akustische Eigenschaften der Erfassungsvorrichtungen (1) sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen (52) zur Bestimmung von Verschlüsselungsfiltern am Eingang zumindest einen der Parameter empfangen, der aus den folgenden Parametern stammt: – Parametern (x p_n), die repräsentativ für die Positionen aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) bezüglich des Mittelpunktes der Erfassungsvorrichtungen (1) sind; – einer begrenzten Anzahl von Koeffizienten (B_n,l,m(f)), die repräsentativ für das Erfassungsvermögen aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind; – Parametern (H_n(f)), die repräsentativ für die Durchlassbereiche aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind; – Parametern (d_n(f)), die repräsentativ für die Richtwirkungsdiagramme aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind; – Parametern (α_n(f)), die repräsentativ für die Ausrichtungen aller oder eines Teil der Sensoren (2_n ) sind, nämlich für die Ausrichtung ihrer maximalen Empfindlichkeit; – Parametern (σ² _n(f)), die repräsentativ für die spektralen Leistungsdichten des Grundrauschens aller oder eines Teils der Sensoren (2_n ) sind; – einem Parameter (μ(f)), der repräsentativ für den gewünschten Kompromiss zwischen der Darstellungsgenauigkeit des akustischen Feldes und der Minimierung des von den Erfassungsvorrichtungen (1) erzeugten Grundrauschens ist; – einem Parameter (L(f)), der die Reihenfolge, in welcher die Darstellung ausgeführt wird, spezifiziert; und – einem Parameter ({(lk, mk)}(f)), der repräsentativ für eine Liste von Koeffizienten ist, von denen verlangt wird, dass die Leistung gleich der Leistung des entsprechenden Koeffizienten in dem darzustellenden akustischen Feld (P) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Vorrichtungen (60) zur Bestimmung aller oder eines Teils der von den Vorrichtungen (52) zur Bestimmung der Verschlüsselungsfilter empfangenen Parameter verbunden ist, wobei die Vorrichtungen (60) zumindest eines der folgenden Elemente aufweisen: – Vorrichtungen (62) zur Erfassung der Parameter; und/oder – Kalibriervorrichtungen (64).
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Vorrichtungen (51) zur Formgebung der Messsignale (c₁ bis c_N) verbunden ist, um ein in die entsprechende Form gebrachtes Signal (SI) zu liefern.